驱动动力集装箱起重机

运动控制消除摇摆和倾斜，以提高效率和稳定性的集装箱装载和存储。

在我们的全球经济中，国际航运起着重要作用。每年，数十亿吨货物通过世界各地的港口。大多数设施都有他们的泊位，甚至提前几年，因此他们能够卸载和重新加载货物的速度越快。这对基础设施的增加，不仅可以高效准确地运作，而且还可以可靠地运行。为满足这一挑战，起重机制造商越来越转向自动化和运动控制

如今，大部分远洋货物都是通过集装箱船运输的。顾名思义，集装箱船是用密封的金属多式联运集装箱运输货物的，这些集装箱可以直接从船舶运输到水面车辆。集装箱大小不一，但通常是20英尺或40英尺长，8英尺高和宽。满载时，它们可重达32吨。

用集装箱装卸货物的时间从几天缩短到几个小时。集装箱到达集装箱堆场进行装卸和储存。起重机移动到表面车辆运输码头,以便其他起重机可以加载到容器(见图1)。当船到达下一个港口起重机把集装箱从船上和存款卡车底盘上,在那里他们可以直接到公路上。

起重机101
集装箱起重机容器由龙门on rails可以沿着集装箱堆场或上下码头旁边的长度(参见图2)。可伸缩的繁荣挂在容器支持横向的电车旅行可以坐在高达130英尺高的码头。一种被称为吊具的装置，通过缆索悬挂在电车上，抓住并抓住集装箱，以便电车能够提升、移动和降低集装箱。

该设备范围从高速手动起重机，远程控制版本，完全自动化单位。对于空吊具，提升机的移动速度可达500英尺/分钟，而手推车的移动速度可达1200英尺/分钟。在手动起重机中，操作员通常乘坐在电车顶部的驾驶室，这样他或她总是在负载的正上方。在远程吊车中，他们可以从地面运行设备。

也许最重要的是升降机。基于接触器控制的旧设计要么完全开启，要么完全关闭。刹车松开，负载下降，然后刹车重新接合以抓住负载。该过程强调机械结构和电缆。

有了运动控制，电机和驱动器加速和减速的负载，使制动的功能只是提供静态持有力。如果操作得当，这种方法可以减少磨损，延长使用寿命。Avtron工业自动化公司Crane Systems的工业经理Barry Wiles说:“这在实践中听起来很简单，但如果你做错了，你可能会损坏设备。”“如果没有扭矩，你打开刹车，负载就会开始滑动或下降。如果刹车失灵，就会给机械装置和(电缆)造成压力。”解决方案是打开驱动器，并在电机中发展扭矩。系统可以在打开制动器和开始移动负载之前验证扭矩。

在长缆绳底部的集装箱基本上形成了一个钟摆。风压和起重机结构本身的共振振动会加剧起重机的运动，从而产生摇摆。起重机操作人员发现自己被夹在压力之间，以快速移动负载和希望尽量减少沉降时间。摇摆荷载不仅增加沉降时间，还会对起重机结构、电缆和电机造成应力，更不用说对人员、地面车辆、船舶和其他集装箱造成安全隐患。

倾斜是另一个挑战。容器是不透明的盒子，对内部对象的分布没有任何提示。装载不当，集装箱在提升时可能会倾斜或歪斜。容器可以堆叠五到八英尺高(见图3)。考虑到所涉及的高度，微小的误差可以迅速复合，从而产生不稳定的结构。集装箱堆场不平整的表面只会加剧这个问题。起重机不仅需要将集装箱均匀地堆叠起来，还需要将它们偏移到足以创建一个稳定的结构。换句话说，有时倾斜是一个问题，有时小心控制倾斜是解决方案。

在过去，起重机操作员需要花费数年的时间来获取必要的技能。当今最先进的起重机系统利用观测器控制来补偿摇摆和倾斜。这个过程从职位信息开始。“我们首先需要做的是确切地知道起重机已经拾取了什么，它的态度是什么，”Steve Deutsch说，他是美国起重机系统的总经理ABB(瑞士苏黎世)。“它是向左还是向右倾斜?”它的定位是什么?”起重机通常通过使用各种传感器(如由摄像机跟踪的激光或LED条)来监控吊具的位置，从而跟踪集装箱的位置。系统集成了测压元件来确定容器的重量。多伊奇说:“基于这些算法和知道我们的负载在哪里，我们可以自动消除摇摆。”“如果我们放下集装箱时，它向左或向右倾斜，我们可以进行补偿，这样我们就可以自动降落在终端底盘上。”

特殊的挑战
环境和应用结合起来提出了一些独特的挑战。有明显的环境问题，如温度波动、风和其他恶劣天气，以及湿度和含盐的空气，更不用说海浪了。取决于起重机的年代，它可能不包括一个良好的外壳为电子产品。怀尔斯说:“你的大多数标准驱动器都是为了进入工厂地板上有坚实地面的空调房间而制造的。”“起重机是一种大型金属结构。没有真正的单点地面。你必须小心接地的方式和连接的位置。否则，你就会遇到接地和干扰问题。”

当电车沿着轨道运行时，它必须用电连接起来。根据电车在吊杆上的位置，缆绳会形成一系列的摆动，被称为“花饰”。即使是屏蔽电缆，花饰也为电气串扰提供了一个完美的环境。因此，设计师倾向于尽可能使用噪音免疫光纤电缆。

从积极的一面看，集装箱起重机也允许不同寻常的建筑。典型的起重机有四种运动:小车的前后运动、提升机的上下运动、龙门的直线运动和吊杆的角运动。几个运动轴趋向于相互排斥。在正常的操作过程中，起重机操作员不会同时运行小车和吊杆，或者起重机和门架。因此，一个驱动器实际上可以命令多个轴。

例如，Avtron经常用同一个驱动器运行两个甚至三个轴。通过增加额外的接触器，以及安全算法，该系统可以让操作人员从一个操作切换到另一个操作。这种结构不仅节省了设备成本，还节省了空间和重量。后者很重要。尽管起重机可能是巨大的，但最大限度地减少惯性是提高速度的关键。一个起重机可能由一对1500马力的马达驱动，每个马达的重量在700磅左右。切割甚至一个驱动器可以使最大速度和系统的寿命有很大的不同。

虽然性能很重要，但对于集装箱起重机来说，也许没有什么比可靠性更重要了。由于货物重达数十吨，一旦发生故障，不仅可能导致集装箱运输中的货物受损，还可能导致基础设施受损，造成数百万美元的损失，不仅是维修，还会造成收入损失。怀尔斯说:“两年半前，在佛罗里达州的杰克逊维尔，他们有一台吊车没有妥善存放。”“有一阵轻微的大风，吊车滑下跑道，与另一台吊车相撞，两台吊车都倒塌了。”即使故障只是几个小时或几天而不是几个月的问题，它仍然会带来问题。一艘不移动的船是赔钱的，所以合同中经常包含延误的惩罚条款。如果船期变更足够大，船只可能会切换到另一个港口，这就带来了未来业务流失到另一个港口的风险。

某些货物有其他险别。例如，Avtron目前正在为美国海军开发一种军械处理系统。这种应用提出了船岸起重机的所有常见挑战，以及对可靠性的额外要求。毕竟，当一台起重机将50吨炸药悬在船上时，失败是不可能的。

作为一个解决方案，Avtron使用了负载共享。在起重机中，两个主绞车的每一个驱动装置可同时运行多达八台电动机。一个二次驱动控制两个提升电机和起重机上的龙门两侧。另外，一个较小的驱动器运行在电车和吊杆上。Wiles说:“为了防止故障，Avtron在控制室安装了另一个驱动器，与提升/龙门驱动器大小相同，并将其与另一组触点连接。”“如果其他驱动器出现故障，操作人员可以进入密码保护的HMI屏幕，切换到备份驱动器，这样几分钟内起重机就可以重新启动并运行。”

自动化的所有
仅仅为操作人员提供帮助是不够的。左舷起重机的未来在于自动化系统。“在我们的一个客户现场，我们正在运行一个远程操作的码头集装箱起重机，”Deutsch说。操作员坐在控制室里。基本上大部分时间它都是在自动模式下运行，但船只即使被绑在码头上也可以移动。为了弥补这一点，您可能需要多一点操作符交互。我们(最终)的目标是实现完全无人驾驶和自动化。”

由于集装箱堆场不涉及停泊的船只的变化，它们最好采用完全自动化。在亚洲和欧洲的港口，集装箱堆场都是全自动的。无人起重机将集装箱堆叠或放置在自动引导车辆上，以便运输到码头或卡车，反之亦然。

多伊奇表示，北美已经落后，但已经开始转向自动化。他指出:“(北美)大约有8个不同的绿地站点将在2014年至2018年间上线，这些站点将配备数百台自动化设备。”“最困难的部分是能够控制你的负载，这样你就可以把它放在你想要的地方的毫米之内。很多人都能做到，但如果只需要三到四分钟就能搞定，那么你就会失去所有的生产力。你需要能够非常精确地测量集装箱的位置，然后控制它，这样你就可以在一个有效的时间内放下它。”

人类的运营商是熟练的，但它们可以随着时间的推移而疲劳和失去浓度。此外，手推车的速度可能是接近人类舒适的限制。为了提高效率并降低运输成本，港口和起重机制造商将越来越多地利用运动控制技术。提供性能，速度，高于所有可靠性，运动控制提供了保持产品和服务在世界各地移动的解决方案。

视频
点击这里查看视频(ABB公司提供，版权2011年)．

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感谢Rich Schultz Sevanced Crane Technologies Inc.进行有用的对话。